纳米晶钛酸钡陶瓷的制备、微结构及性能的研究
压电陶瓷材料钛酸钡的制备实验报告

化学化工学院材料化学专业实验报告实验实验名称:压电陶瓷材料钛酸钡的制备年级:2015级材料化学日期:2017/09/27姓名:汪钰博学号:222015316210016同组人:向泽灵一、预习部分钛酸钡(BaTiO3)是经典的铁电、压电陶瓷材料,由于其具有高的介电常数,良好的铁电、压电、耐压及绝缘性能,主要用于制作高电容电容器、多层基片、各种传感器、半导体材料和敏感元件;在电子陶瓷、化学化工、国防军事、航空航天等诸多领域中有着极为广泛的应用。
随着现代科学技术的飞速发展和电子元件的小型化、高度集成化,需要制备与合成符合发展要求的高质量的钛酸钡基陶瓷粉体。
目前钛酸钡的主要制备方法有固相法,即氧化物固相烧结法;液相法,即溶胶-凝胶法、水热法和共沉淀法等。
由于固相法无法对钛酸钡生产过程中粉体微观结构和性能进行物理、化学方法的有效控制,从8O年代开始,液相法逐渐成为各国普遍重视的方法。
水热法制备的粉体,由于特殊的反应条件,具有粒度小、分布均匀,团聚较少的优点,且其原料便宜,易得到符合化学计量比并具有完整晶形的产物;同时粉体无需高温煅烧处理,避免了晶粒长大、缺陷的形成和杂质的引入,具有较高的烧结活性等。
但这些工作或者合成的BaTiO3为亚稳态的立方相结构而非四方相,无法满足电子元件性能的需要;或者水热所需的温度高,时间长,从而导致设备成本过高;又或者水热合成需要使用有机钛为原料,从而导致生产成本过高。
这些原因导致无法实现四方相BaTiO3纳米粉末水热合成的规模化生产。
同时水热法在粉体中存在杂质,也限制了该法的应用,因此,尚未见该法在工业上应用的报道,基本上处于实验室探索的阶段。
溶胶---凝胶法多采用蒸馏或重结晶技术保证原料的纯度,工艺过程中不引入杂质粒子,所得粉体粒径小、纯度高、粒径分布窄。
但其原料价格昂贵、有机溶剂具有毒性以及高温热处理会使粉体快速团聚,并且其反应周期长,工艺条件不易控制,产量小,难以放大和工业化。
高性能钛酸钡陶瓷的制备工艺与应用

高性能钛酸钡陶瓷的制备工艺与应用钛酸钡因具有高介电常数、压电铁电性及正温度系数等优异性能而成为重要的陶瓷材料。
烧结工艺对钛酸钡陶瓷的致密化与显微结构具有重要影响;钛酸钡陶瓷存在介电常数随温度的变化率较大、介电损耗高、击穿场强低、本身存在薄层时吸收强度弱和带宽窄等缺点,常常通过掺杂改性来提高钛酸钡陶瓷的性能,而不同掺杂材料对钛酸钡陶瓷有着不同的影响。
钛酸钡陶瓷应用前景广阔,进一步研究更优良的钛酸钡陶瓷烧结工艺及掺杂工艺有着很重大的意义。
钛酸钡陶瓷烧结工艺目前钛酸钡陶瓷的烧结方式主要有无压烧结、高压烧结、微波烧结、毫米波烧结等。
【无压烧结】无压烧结在常压下进行烧结,主要包括常规无压烧结、两步法烧结、两段法烧结。
常规无压烧结方法是将陶瓷胚体通过加热装置加热到一定温度,经保温后冷却到室温以制备陶瓷的方法。
常规烧结采用高温长时间、等烧结速率进行,此方法需要较高的烧结温度(超过1000℃)和较长的保温时间。
如果烧结温度较低,则不能够形成足够的液相填充胚体里的气孔,材料晶界结合不好并且材料中存在较大的孔洞,此时材料的电性能较差;烧结温度过高,可能导致晶界的移动速度过快,出现晶粒异常增大现象。
两步法烧结的烧结流程为:陶瓷胚体通过加热装置加热到一定温度后不进行保温,立即以很快的速度降温到相对较低的温度进行长时间的保温。
与常规烧结方法相比,两步烧结法巧妙地通过控制温度的变化,在抑制晶界迁移(这将导致晶粒长大)的同时,保持晶界扩散(这是坯体致密化的动力)处于活跃状态,来实现晶粒不长大的前提下达到烧结的目的。
两段法烧结是指在相对较低的温度下保温一段时间,然后再在较高的温度下保温,最后自然冷却。
用此工艺可以降低烧结温度和缩短烧结时间,此方式可以用于烧结细晶钛酸钡陶瓷。
【高压烧结】高压烧结有两种方式,第一种为高压成型常压烧结,第二种为高压气氛烧结。
高压成型常压烧结中,样品在高压下再次加压后,颗粒之间的接触点增加且气孔减少,导致烧结前坯体的相对密度显著增加,而陶瓷烧结活性与样品的压坯密度紧密相关,所以烧结温度显著降低。
钛酸钡PTC陶瓷的制备及显微分析

1 引 言PTC现象一经发现就引起了广大科技工作者的浓厚兴趣和极大关注,PTC陶瓷材料因其独特的电性能,在很多领域都得到了广泛的应用。
目前,它已发展成为铁电陶瓷领域的三大应用领域之一,其应用范围仅次于铁电陶瓷电容器和压电陶瓷产品[1]。
对于功能陶瓷来说,材料的各种性能都与其微观结构有着密切的联系。
随着电子显微技术的不断进步,人们对各种材料显微结构的研究越来越多。
本文主要对BaTiO3基PTC陶瓷进行制备,对其微观结构进行研究,这不但对了解PTC效应的本质有帮助,还对相关材料的研究开发提供参考。
2 试 验2.1柠檬酸盐溶胶-凝胶法制备粉体将碳酸钡、碳酸钙、施主氧化物分别溶于硝酸,将相应摩尔比的柠檬酸用氨水调节pH值到5.7左右,然后分别将各种硝酸盐溶液加入相应的柠檬酸中,得到各自的柠檬酸溶液。
按1(g)∶1(g)的比例称取Ti(C4H9O)4与柠檬酸,将柠檬酸配制成浓度为50%后用氨水调节pH值为6.3左右,然后将Ti(C4H9O)4加到柠檬酸溶液中并不断搅拌。
开始会出现雪片状沉淀,进而沉淀不断溶解,加热至70~80℃后沉淀会完全溶解。
静置片刻,溶液分为上下两层,用分液漏斗取下层清液,即为柠檬酸钛溶液。
将柠檬酸钛溶液与以上各柠檬酸盐溶液混合在一起,用氨水调节混合液的pH值在7~8之间,然后在80℃加热搅拌约2h,得到混合溶胶,将溶胶在80℃烘箱中干燥12h得到干凝胶,将干凝胶在电炉内600℃煅烧2h,即可得白色泡沫状施主掺杂的BaTiO3粉体。
在施主掺杂的BaTiO3粉体中以溶液的形式加入一定比例的受主、硝酸铝和正硅酸乙脂。
然后将这些物料加入少量蒸馏水并在行星磨上湿混20h,烘干后即得PTC粉体。
2.2陶瓷的制备在PTC粉体中加入适量PVA,拌匀后困料2h,然后造粒、成型、烧成。
各工艺参数如下:造粒:压成φ20×5mm3的圆片,成型压力为80Mpa。
成型:压成φ15×3mm3的圆片,成型压力为120Mpa。
钛酸钡陶瓷制备实验报告(3篇)

第1篇实验目的本实验旨在了解钛酸钡陶瓷的制备过程,掌握固相反应法合成钛酸钡陶瓷的实验步骤,并通过对实验结果的分析,探讨影响钛酸钡陶瓷性能的关键因素。
实验原理钛酸钡(BaTiO3)是一种具有钙钛矿结构的压电陶瓷材料,广泛应用于电容器、传感器、换能器等领域。
钛酸钡陶瓷的制备主要通过固相反应法,即利用高温使钡源和钛源发生化学反应,生成钛酸钡晶体。
实验材料1. 纯度≥99.9%的钛酸钡原料2. 纯度≥99.9%的钡源3. 纯度≥99.9%的钛源4. 纯度≥99.9%的氧化铝(Al2O3)作为助熔剂5. 砂轮研磨机6. 高温炉7. 精密天平8. 精密移液器9. 烧结炉10. 显微镜11. X射线衍射仪(XRD)实验步骤1. 原料准备:称取适量的钛酸钡原料、钡源、钛源和氧化铝,精确至0.01g。
2. 原料混合:将称取好的原料放入球磨罐中,加入适量的去离子水,开启砂轮研磨机进行球磨,时间为2小时。
3. 干燥:将球磨后的浆料在60℃下干燥12小时,得到干燥的粉体。
4. 压制成型:将干燥后的粉体进行压制成型,得到尺寸为10mm×10mm×1mm的陶瓷片。
5. 烧结:将陶瓷片放入高温炉中,在1300℃下烧结2小时。
6. 性能测试:对烧结后的钛酸钡陶瓷进行XRD分析,测定其物相组成;使用显微镜观察其微观结构;测量其介电常数和介电损耗。
实验结果与分析1. XRD分析:通过XRD分析,发现钛酸钡陶瓷主要成分为BaTiO3,没有其他杂质相生成。
2. 微观结构:通过显微镜观察,发现钛酸钡陶瓷晶粒尺寸均匀,分布良好。
3. 介电常数和介电损耗:测量结果表明,钛酸钡陶瓷的介电常数为3450,介电损耗为1.89%,满足实验要求。
结论本实验采用固相反应法成功制备了钛酸钡陶瓷,实验结果表明,该方法能够得到物相组成单一、微观结构良好的钛酸钡陶瓷。
通过调整原料配比、球磨时间、烧结温度等因素,可以进一步优化钛酸钡陶瓷的性能。
纳米粒子及其掺杂钛酸钡基介电陶瓷的制备与表征的开题报告

纳米粒子及其掺杂钛酸钡基介电陶瓷的制备与表征的开题报告(注:以下内容仅供参考,具体开题报告应根据自身课题进行规划和撰写)一、选题背景介电陶瓷作为一种重要的电器材料,广泛应用于铁氧体储存、薄膜电容器、滤波器、微波电路等领域。
钛酸钡(BaTiO3)作为一种具有优良介电性能的传统陶瓷材料,其介电常数可达到几千,但其性能随着晶粒尺寸的减小而降低。
相对地,纳米材料因具有晶界等特殊结构特征,其电学性能得到了不少关注和研究。
近年来,研究表明掺杂含量适当的纳米粒子,可以有效提高钛酸钡陶瓷的介电性能。
例如,掺杂稀土元素、铝等可使介电常数、介电损耗及疏水性等性能得以提升。
因此,制备掺杂纳米粒子的钛酸钡基介电陶瓷已成为一个热门研究方向。
二、研究目的本研究旨在制备掺杂纳米粒子的钛酸钡基介电陶瓷,并对其微观结构与电学性能进行表征。
具体目标包括:1.合成纳米级(<100 nm)的BaTiO3粉体;2.利用化学共沉淀法制备不同含量的掺杂元素(如La、Al)的BaTiO3粉体;3.通过制备不同掺杂元素陶瓷样品,比较其微观结构与电学性能差异;4.分析掺杂元素对钛酸钡陶瓷的介电性能的影响机理。
三、研究内容1.合成纳米级BaTiO3粉体采用一步水热法制备BaTiO3纳米粉体。
以钛酸四丙酯、硝酸铋和硝酸钡为原料,通过水热反应在高温高压下制备出BaTiO3纳米晶粒。
2.合成掺杂元素的BaTiO3纳米粉体将La(NO3)3、Al(NO3)3与上述钛酸四丙酯、硝酸铋和硝酸钡混合后进行制备,考察掺杂元素含量对BaTiO3陶瓷的介电特性的影响。
3.样品的制备与烧结将纳米粉体进行成型,并进行高温烧结。
同时,制备不同掺杂元素含量的样品,研究掺杂元素对于样品的结构与电学性能的影响。
4.样品的表征利用XRD、TEM、SEM等方法对样品的微观结构进行表征,利用介电测试设备对样品的电学性能进行测试比较。
四、预期结果1.成功合成纳米级BaTiO3粉体;2.制备出不同含量的掺杂元素的BaTiO3陶瓷样品;3.发现掺杂元素对BaTiO3陶瓷介电性能的影响,探究影响机理;4.拓展了制备钛酸钡基介电陶瓷的研究领域,为其应用提供了理论依据。
纳米钛酸钡制备方法研究新进展

Ba(OH)2⋅8H2O, 钛酸丁酯等
Ba(OH)2⋅8H2O, 钛酸丁酯等
Ba(OH)2⋅8H2O+ 二(三乙醇胺)钛 酸二异丙酯
溶剂热 90℃,8h
溶剂热法 240℃, 6h 溶剂热法 180℃, 24h 溶剂热法 150~180 ℃,48~72h
微乳法
Reveron, H.,等[29]
Woudenberg, F. C. M.,等 [30]
15nm~36nm 3~5nm
特点
粒径较均匀, 但团聚明显。 通过改变反应 温度和溶剂组 成能实现对粒 径的调控。 粒径可控,连 续生产。 超细,分散性 好。
Ba(OH)2⋅8H2O, 异丙醇钛等
水热法
Ba(OH)2⋅8H2O, 异丙醇钛等
[22]
包覆油酸的 3~5nm
超细,分散性好
金属钡,异丙醇钛、 苯甲醇等
Petkov, V.,等[23] 5nm
超细,分散性好
-3-
金属钡,异丙醇钛, 异丙醇,环己胺, 结合微乳法制备 NP-35,1-辛烷等
Pithan, C. , 等 [24~25]
20~40nm
提出了中间体理论,通过不 同的加热机制实现对粒径的 调控。
商品草酸盐微波加热煅烧 Malghe, Y. S.,等[7] ——
引入微波加热,升温速度快,
如 Malghe, Y. S.,等的报道,
商品草酸盐煅烧
Fang, C. Y.,等[8],
70nm
500 ℃ 以 下 就 能 得 到 立 方 相 粉体,高效节能。
生成沉淀再高温 苯,异丙醇等
煅烧
Takeuchi, T. , 等 [19]
实验二溶胶-凝胶法制备钛酸钡纳米陶瓷粉体

实验二溶胶-凝胶法制备钛酸钡纳米陶瓷粉体醋酸钡255.21、钛酸丁酯340.3实验二溶胶-凝胶法制备纳米钛酸钡陶瓷粉体一、实验目的1、了解溶胶-凝胶制备纳米粉体的方法2、制备纳米钛酸钡陶瓷粉体二、实验背景和原理1. 实验背景钛酸钡(BaTiO)具有良好的介电性,是电子陶瓷领域应用最广的材料之一。
传3制备方法是固相合成,这种方法生成的粉末颗粒粗且硬,不能满足高统的BaTiO3科技应用的要求。
现代科技要求陶瓷粉体具有高纯、超细、粒径分布窄等特性,与粗晶材料相比在物理和机械性能方面有极大的差别:熔点降低,烧结温度降低、荧光谱峰向低波长移动、铁电和铁磁性能消失、电导增强等。
溶液化学法是制备超细粉体的一种重要方法,其中以溶胶-凝胶法最为常用。
2. 溶胶-凝胶法合成BaTiO3纳米粉体的基本原理溶胶—凝胶(简称Sol—Gel)法是以金属醇盐的水解和聚合反应为基础的。
其反应过程通常用下列方程式表示:(1)水解反应:M(OR)4 + χ H2O = M(OR)4- χ OH χ + χ ROH(2)缩合-聚合反应:失水缩合-M-OH + OH-M-=-M-O-M-+H2O失醇缩合-M-OR + OH-M-=-M-O-M-+ROH缩合产物不断发生水解、缩聚反应,溶液的粘度不断增加。
最终形成凝胶——含金属—氧—金属键网络结构的无机聚合物。
正是由于金属—氧—金属键的形成,使Sol—Gel法能在低温下合成材料。
Sol—Gel技术关键就在控制条件发生水解、缩聚反应形成溶胶、凝胶。
本次实验使用的钛酸丁酯(亦称丁醇钛)是一种非常活泼的醇盐,遇水会发生剧烈的水解反应。
在Sol—Gel工艺中,让溶液系统暴露在空气中从空气中吸收水分,使水解反应不充分(或不完全),其反应式可表示为Ti(OR)4 + χ H2O = Ti(OR)4- χ OH χ + χ ROH (1)式中,R=C4H9为丁烷基,RO或OR为丁烷氧基。
未完全水解反应的生成物Ti(R)4-χ(OH)χ中的(OH)-极易与丁烷基(R)或乙羰基(R′=CH3CO)结合,生成丁醇或乙酸,而使金属有机基团通过桥氧聚合成有机大分子。
纳米钛酸钡的合成及其光催化性能研究

纳米钛酸钡的合成及其光催化性能研究纳米材料在科技领域中的应用越来越广泛,特别是在光催化降解有害物质的领域中,纳米材料的应用也越来越受到关注。
其中,纳米钛酸钡是一种非常有前途的材料,因为其独特的结构和光催化性能,能够有效地降解各种污染物,同时还具有良好的耐久性和稳定性。
纳米钛酸钡的合成方法有很多种,目前常用的方法有溶胶-凝胶法、水热法、共沉淀法等。
其中,溶胶-凝胶法是一种比较简单易行的方法,具有高度的控制性和可重复性,因此被广泛应用于纳米材料的制备领域。
在溶胶-凝胶法中,通过控制反应条件,如pH值、温度、反应时间等参数,可以调控纳米钛酸钡的形貌和尺寸。
除了合成方法的控制,纳米钛酸钡的光催化性能也受到多种因素的影响,如材料的晶体结构、表面性质和光催化反应机理等。
其中,纳米晶体的特殊性质和活性位点对光催化性能的影响最为显著。
事实上,纳米钛酸钡的晶体结构比传统的大颗粒材料更加复杂,产生了更多的物理和化学表面活性位点。
此外,光催化活性位点与晶体表面反应物的亲和力也是影响纳米钛酸钡催化效率的重要因素。
当纳米钛酸钡表面的活性位点与反应物有较高的亲和力时,这些反应物便容易被吸附在活性位点上,形成吸附状态,然后通过光催化反应进行降解。
此外,此类活性位点还允许反应物在表面上发生更深层次的催化反应,进一步加快了反应速度。
在纳米钛酸钡的光催化应用领域中,实践表明其具有较好的成果。
纳米钛酸钡中的钛元素可有效地与光催化反应中的自由基相互作用,加速电子传输,从而提高光催化反应速率和效率。
另外,在纳米钛酸钡中钡元素的存在促进了链传递的过程,使得催化剂反应能够持续一定时间而不失活。
总而言之,纳米钛酸钡作为一种新型的光催化材料在环境治理中有着广阔的应用前景。
合适的制备方法和有效的控制手段可以带来优秀的催化性能,使之更加有力地发挥环境治理的作用。
未来,我们还可以进一步完善纳米材料的制备技术和光催化性能控制理论,以提高其在工业、环境和医学等领域的应用。
钛酸钡及改性陶瓷材料的制备与电磁性能研究的开题报告

钛酸钡及改性陶瓷材料的制备与电磁性能研究的开
题报告
一、选题背景和意义
随着现代科技的不断进步,电磁波的应用范围越来越广泛,如通信、雷达、导航、无线电等。
相比传统金属材料,钛酸钡及改性陶瓷材料有
着更好的电磁性能,适用于电磁波吸收、屏蔽等领域。
因此,钛酸钡及
改性陶瓷材料的制备及其电磁性能研究具有重要的应用和理论意义。
二、研究内容和方法
本文将以钛酸钡及改性陶瓷材料的制备和电磁性能研究为主要研究
内容。
主要方法包括:
1.钛酸钡及改性陶瓷材料的制备:利用溶胶-凝胶法、水热法或共沉
淀法等方法制备具有不同形态、晶型和粒径的钛酸钡粉体,然后通过固
相烧结或微波烧结等方法得到陶瓷材料。
2.电磁性能测试:采用矢量网络分析仪进行电磁参数测试,包括反
射损耗、复介电常数、复磁导率等。
3.结构分析:采用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)等方法对样品的晶相结构、形貌和微观结构进行表征。
三、预期结果和意义
预计能够制备出具有不同形态、晶型和粒径的钛酸钡及改性陶瓷材料,同时探索制备工艺对材料电磁性能的影响。
通过对制备的陶瓷材料
进行电磁性能测试,比较其反射损耗、吸收带宽等指标,进一步探究其
电磁吸收机理。
通过该研究,可以为电磁波吸收、屏蔽等应用领域提供
更优秀的材料选择,同时深入理解材料的电磁性能,有助于材料的进一
步开发和应用。
钛酸钡陶瓷制备工艺的总结

钛酸钡陶瓷制备工艺的总结摘要:钛酸钡陶瓷作为一种应用广泛的电子陶瓷原料,因其具有较高的介电常数,良好的性能,在制作电容器介质材料和多种压电器件方面有着重要地位。
本文总结了钛酸钡陶瓷制备工艺方法及优缺点,对未来钛酸钡陶瓷制备工艺进行了展望。
关键词:钛酸钡陶瓷、制备工艺、优缺点、展望钛酸钡陶瓷是以钛酸钡或其固溶体为主晶相的陶瓷材料,是目前国内外应用最广泛的电子陶瓷原料之一,由于其具有高的介电常数,良好的铁电、压电、耐压及绝缘性能,主要用于制作高电容电容器、多层基片、各种传感器、半导体材料等[1]。
钛酸钡陶瓷粉体是制备钛酸钡电子陶瓷的基础,制备工艺的不同,往往会影响钛酸钡的微观形貌以及组织结构,进而改变其介电性能、居里温度等性质,因此对钛酸钡陶瓷制备方法的总结十分必要。
近年来,随着科技发展,人们对钛酸钡电子陶瓷材料的要求逐步提升。
为此,本文从钛酸钡陶瓷的制备工艺及其优缺点方面,对钛酸钡陶瓷当前的制备工艺进行了综述和展望。
1.钛酸钡陶瓷制备工艺钛酸钡陶瓷的制备工艺,大致可分为固相法、液相法和气相法三大类,其中将溶胶-凝胶法单独拿出进行总结。
1.1.固相法1.1.1.机械力化学法机械化学合成法是将TiO2和BaCO3粉体经混合球磨,诱导合成BaTiO3粉体,再经造粒压片、固相烧结等制得陶瓷样品的方法,近年来发展迅速。
因其流程简单,合成粉体晶粒的尺寸小、分散较为均匀等优点,成为纳米粉末材料重要的制备方式,但长时间的机械处理,使得能量消耗大,研磨介质磨损易造成物料污染,从而影响产品纯度。
蒲永平等[2]用球磨法合成BaTiO3粉体时发现BaCO3和TiO2在球磨过程中会发生凝聚,且BaCO3是导致凝聚的主要原因,不均匀性导致BaTiO3介电性能恶化,且搅拌磨制得的BaTiO3粉体介电性能比滚筒磨制得的更好。
1.1.2.固相反应法固相法通常是粉末碳酸钡和二氧化钛为主要原料进行混合研磨,经煅烧发生固相反应合成BaTiO3粉体,进而制得钛酸钡陶瓷材料。
纳米钛酸钡的结构性能及制备方法

纳米钛酸钡的结构性能及制备方法摘要:钛酸钡纳米材料具有高介电常数和低介质损耗等优异的性能,是电子工业中应用最广泛的陶瓷材料之一。
本文主要介绍了钛酸钡结构性能、应用方向和纳米钛酸钡制备方法。
关键词:钛酸钡结构性能制备方法粉体前言钛酸钡(BaTiO3)具有高介电常数、低的介质损耗及铁电、压电和正温度系数效应等优异的电学性能,被誉为“电子陶瓷工业的支柱”,广泛的应用于半导体陶瓷和电子工业等方面。
一、钛酸钡晶体的结构钛酸钡是一致性熔融化合物,其熔点为1618℃。
在此温度以下,1460℃以上结晶出来的钛酸钡属于非铁电的六方晶系6/mmm点群。
此时,六方晶系是稳定的。
在1460~130℃之间钛酸钡转变为立方钙钛矿型结构。
在此结构中钛离子居于氧离子构成的氧八面体中央,钡离子则处于八个氧八面体围成的空隙中。
此时的钛酸钡晶体结构对称性极高,因此无偶极矩产生,晶体无铁电性,也无压电性。
随着温度下降,晶体的对称性下降。
当温度下降到130℃时,钛酸钡发生顺电-铁电相变。
在130~5℃的温区内,钛酸钡为四方晶系4mm点群,具有显著地铁电性,其自发极化强度沿c轴方向,即[001]方向。
钛酸钡从立方晶系转变为四方晶系时,结构变化较小。
从晶胞来看,只是晶胞沿原立方晶系的一轴(c 轴)拉长,而沿另两轴缩短。
当温度下降到5℃以下,在5~-90℃温区内,钛酸钡晶体转变成正交晶系mm2点群,此时晶体仍具有铁电性,其自发极化强度沿原立方晶胞的面对角线[011]方向。
钛酸钡从四方晶系转变为正交晶系,其结构变化也不大。
从晶胞来看,相当于原立方晶系的一根面对角线伸长了,另一根面对角线缩短了,c轴不变。
当温度继续下降到-90℃以下时,晶体由正交晶系转变为三斜晶系3m点群,此时晶体仍具有铁电性,其自发极化强度方向与原立方晶胞的体对角线[111]方向平行。
钛酸钡从正交晶系转变成三斜晶系,其结构变化也不大。
综上所述,在整个温区(<1618℃),钛酸钡共有五种晶体结构,即六方、立方、四方、单斜、三斜,随着温度的降低,晶体的对称性越来越低。
纳米钛酸钡陶瓷的制备及其结构和性能
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纳米钛酸钡陶瓷的制备及其结构和性能
邓湘云;王晓慧;李龙土;桂治轮
【期刊名称】《稀有金属材料与工程》
【年(卷),期】2005()z2
【摘要】应用放电等离子烧结(SPS)制备了不同尺寸的纳米钛酸钡陶瓷,考察了不同的晶粒尺寸对钛酸钡陶瓷结构和性能的影响.SEM,XRD和介温谱表明随着晶粒尺寸的减小,钛酸钡陶瓷结构中四方相所占比例逐渐减少;四方-立方相变温度降低,居里点向低温移动;同时纳米钛酸钡陶瓷的Raman光谱声子模也随着晶粒尺寸的变化而变化.
【总页数】3页(P713-715)
【关键词】钛酸钡;尺寸效应;放电等离子烧结;纳米陶瓷
【作者】邓湘云;王晓慧;李龙土;桂治轮
【作者单位】清华大学,新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室,北京,100084 清华大学,新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室,北京,100084 清华大学,新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室,北京,100084 清华大学,新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室,北京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】TN305.3
【相关文献】
1.掺入Eu的钛酸钡纳米晶陶瓷材料制备与电子结构特征 [J], 孙秀云;路大勇;刘益春
2.不同Ti/Ba比钛酸钡纳米粉体及其陶瓷的制备和介电性能研究 [J], 王记江;崔斌;田靓;王辉;俞鹏飞;畅柱国;史启祯
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4.三维结构钛酸钡陶瓷-树脂材料制备与介电性能研究 [J], 张登; 杨松; 徐云; 李想; 王希林; 贾志东; 周和平
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纳米钛酸钡的结构性能及制备方法

纳米钛酸钡的结构性能及制备方法摘要:钛酸钡纳米材料具有高介电常数和低介质损耗等优异的性能,是电子工业中应用最广泛的陶瓷材料之一。
本文主要介绍了钛酸钡结构性能、应用方向和纳米钛酸钡制备方法。
关键词:钛酸钡结构性能制备方法粉体前言钛酸钡(BaTiO3)具有高介电常数、低的介质损耗及铁电、压电和正温度系数效应等优异的电学性能,被誉为“电子陶瓷工业的支柱”,广泛的应用于半导体陶瓷和电子工业等方面。
一、钛酸钡晶体的结构钛酸钡是一致性熔融化合物,其熔点为1618℃。
在此温度以下,1460℃以上结晶出来的钛酸钡属于非铁电的六方晶系6/mmm点群。
此时,六方晶系是稳定的。
在1460~130℃之间钛酸钡转变为立方钙钛矿型结构。
在此结构中钛离子居于氧离子构成的氧八面体中央,钡离子则处于八个氧八面体围成的空隙中。
此时的钛酸钡晶体结构对称性极高,因此无偶极矩产生,晶体无铁电性,也无压电性。
随着温度下降,晶体的对称性下降。
当温度下降到130℃时,钛酸钡发生顺电-铁电相变。
在130~5℃的温区内,钛酸钡为四方晶系4mm点群,具有显著地铁电性,其自发极化强度沿c轴方向,即[001]方向。
钛酸钡从立方晶系转变为四方晶系时,结构变化较小。
从晶胞来看,只是晶胞沿原立方晶系的一轴(c 轴)拉长,而沿另两轴缩短。
当温度下降到5℃以下,在5~-90℃温区内,钛酸钡晶体转变成正交晶系mm2点群,此时晶体仍具有铁电性,其自发极化强度沿原立方晶胞的面对角线[011]方向。
钛酸钡从四方晶系转变为正交晶系,其结构变化也不大。
从晶胞来看,相当于原立方晶系的一根面对角线伸长了,另一根面对角线缩短了,c轴不变。
当温度继续下降到-90℃以下时,晶体由正交晶系转变为三斜晶系3m点群,此时晶体仍具有铁电性,其自发极化强度方向与原立方晶胞的体对角线[111]方向平行。
钛酸钡从正交晶系转变成三斜晶系,其结构变化也不大。
综上所述,在整个温区(<1618℃),钛酸钡共有五种晶体结构,即六方、立方、四方、单斜、三斜,随着温度的降低,晶体的对称性越来越低。
钛酸钡制法汇总
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电子陶瓷材料纳米钛酸钡制备工艺的研究进展1 前言钛酸钡是电子陶瓷材料的基础原料,被称为电子陶瓷业的支柱。
它具有高介电常数、低介电损耗、优良的铁电、压电、耐压和绝缘性能,被广泛的应用于制造陶瓷敏感元件,尤其是正温度系数热敏电阻(PTC)、多层陶瓷电容器(MLCCS)、热电元件、压电陶瓷、声纳、红外辐射探测元件、晶体陶瓷电容器、电光显示板、记忆材料、聚合物基复合材料以及涂层等。
钛酸钡具有钙钛矿晶体结构,用于制粉体粒度、形造电子陶瓷材料的粉体粒径一般要求在100nm以内。
因此BaTiO3貌的研究一直是国内外关注的焦点。
钛酸钡粉体制备方法有很多,如固相法、化学沉淀法、溶胶—凝胶法、水热法、超声波合成法等。
最近几年制备技术得到了快速发展,本文综述了国内外具有代表性的钛酸钡粉体的合成方法,并在此基础上提出了研究展望。
2 钛酸钡粉体的制备工艺2.1 固相合成法固相法是钛酸钡粉体的传统制备方法,典型的工艺是将等量碳酸钡和二氧化钛混合,在1 500℃温度下反应24h,反应式为:BaCO3+TiO2→BaTiO3+CO2↑。
该法工艺简单,设备可靠。
但由于是在高温下完成固相间的扩散传质,故所得BaTiO3粉体粒径比较大(微米),必须再次进行球磨。
高温煅烧能耗较大,化学成分不均匀,影响烧结陶瓷的性能,团聚现象严重,较难得到纯BaTiO3晶相,粉体纯度低,原料成本较高。
一般只用于制作技术性能要求较低的产品。
2.2化学沉淀法2.2.1 直接沉淀法 在金属盐溶液中加入适当的沉淀剂,控制适当的条件使沉淀剂与金属离子反应生成陶瓷粉体沉淀物团。
如将Ba(OC3H7)2和Ti(OC5H11)4溶于异丙醇中,加水分解产物可得沉淀的BaTiO3粉体。
该法工艺简单,在常压下进行,不需高温,反应条件温和,易控制,原料成本低,但容易引入BaCO3、TiO2等杂质,且粒度分布宽,需进行后处理。
2.2.2 草酸盐共沉淀法 将精制的TiCl4和BaCl2的水溶液混合,在一定条件下以一定速度滴加到草酸溶液中,同时加入表面活性剂,不断搅拌即得到BaTiO3的前驱体草酸氧钛钡沉淀BaTiO(C2O4)4·4H2O(BTO)。
纳米晶碳酸钡的合成方法研究
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纳米晶碳酸钡的合成方法研究 摘要:纳米钛酸钡具有高介电常数和低介电损耗, 具有优良的铁电、压电和绝缘性能, 广泛地应用于制造陶瓷敏感元件、多层陶瓷电容器、记忆材料等。
随着现代工业的发展,对纳米碳酸钡的制备要求越来越高,因此,纳米BaTiO3 粉体的制备及其形貌控制成为纳米材料制备领域的研究热点之一。
本文综述了近些年纳米晶碳酸钡的合成方法,包括固相法,沉淀法,溶胶-凝胶法,水热法等,以及人们对各种方法的改进。
比较各方法的优缺点及研究现状,提出目前的研究发展方向。
关键词:纳米晶碳酸钡合成研究现状Study on Synthesis of Nanocrystalline Barium Titanate Abtract:Nano barium titanate exhibit high permittivity,low dielectric loss,excellent properties of ferroelectric, piezoelectric and insulation. It has been extensively used in manufacture of ceramic sensitive component , multi-layer ceramic capacitor, memory materials,etc. With the development of modern industry, it became more and more important to prepare BaTiO3powder with very high quality. Hence, synthesis and morphology control of nanocrystalline BaTiO3 were widely studied in the field of nano material. This paper reviews the synthesis of nano-scale BaTiO3 during those years , including solid state method , precipitation route ,sol-gel, hydrothermal method ,and improvement depending on these method. A comparationis made upon the advantage , disadvantage and current research status. The future trends are also prospected. Key Word: Nanocrystalline Barium Titanate Synthesis current status 目录前言............................................................ 11固相反应法 .................................................... 12 液相反应法.................................................... 22.1化学沉淀法 .............................................. 22.1.1 直接沉淀法........................................ 22.1.2 共沉淀法.......................................... 32.1.3 两步沉淀法........................................ 32.2 溶胶-凝胶法............................................. 42.2.1醇盐法 ............................................ 42.2.2半醇盐法 .......................................... 42.2.3 柠檬酸盐法........................................ 52.3 水热法及溶剂热法........................................ 52.3.1 水热法............................................ 52.3.2 溶剂热法.............................................. 62.4 微波(辅助)法.......................................... 63 小结.......................................................... 74 参考文献...................................................... 7前言 BaTiO3是典型的具有ABO3型钙钛矿晶体结构的铁电体,室温时具有高介电常数和低的介电损耗,被广泛应用于电子工业中。
纳米晶钛酸钡陶瓷尺寸效应的研究
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Biography:Deng xiang”n,Ph.D.,Professor,colIege of Physics锄d Elec仃onic Info蛐ation,Tianjin No珊al univc体咄Tianjin 300387,
一三方(R)的相转变。同时拉曼光谱也表明当晶粒 尺寸小到15 mn时铁电性依然存在。
3结果与讨论
表1列出了SPS烧结工艺及制备出的系列不同晶 粒尺寸的钛酸钡陶瓷,烧结速率变化范围选择为 273425℃/min,其中烧结温度、升温速率和保温时 间等工艺参数的合理配合是制备出高密度小晶粒钛酸 钡陶瓷的关键。
‘812。
稀有金属材料与工程
第37卷
A艮.,·历‰勋c叨, 晶粒小到15衄的钛酸钡陶瓷,仍然存在与大晶粒钛 【5】Buessem w R,cms8 L E,Gosw锄i
酸钡陶瓷类似的行为即随温度的降低经历从立方一四 方一正交寸三方的相转变。
1966,49(1):33 【6】saad M M,Baxtcr P,Bowm锄R M甜口,..,朋坩:c口打如耵
胁脚【J】,2004,16:L45I
参考文献
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论文题目:纳米晶钛酸钡陶瓷的制备、微结构及性能的研究作者简介:邓湘云,女,1964年11月出生,2003年9月师从于清华大学李龙土教授,于2007年1月获博士学位。
中文摘要自从1943年钛酸钡作为最具有代表性的钙钛矿结构的铁电材料被发现以来,一直是电子陶瓷元器件的基础材料。
当高于居里温度120o C时,钛酸钡晶体结构为立方顺电相; 低于居里温度时钛酸钡有三个结构相变点; 在大约10o C到130o C之间为四方相结构; 低于10o C为正交相结构, 当温度进一步下降到大约-80o C表现为三方相结构。
近几年来随着电子及微电子工业的飞速发展,多层陶瓷电容器的微型化和大容量化要求降低陶瓷介质层的厚度,这就要求介质层中的陶瓷晶粒降到亚微米级甚至纳米级, 因此制备小粒径的钛酸钡陶瓷引起了人们广泛的兴趣。
然而高致密的陶瓷都要通过高温烧结才能致密化,而致密化过程和晶粒生长过程常常同时产生,特别在烧结后期晶粒生长非常迅速,其结果是材料实现致密化后晶粒也长大了。
因此目前最大的研究障碍就是制备出致密的纳米晶陶瓷,并在此基础上研究晶粒尺寸对钛酸钡陶瓷的微结构和性能的影响,即纳米尺寸效应。
钛酸钡陶瓷尺寸效应研究始于1950年;研究的核心内容主要围绕晶粒尺寸对于介电性能,相变和显微结构的影响。
研究表明随着晶粒尺寸的减小,居里温度向低温移动; 晶粒尺寸从10µm减至1µm时,室温介电常数增大,当钛酸钡陶瓷的平均晶粒尺寸接近1µm 时,介电常数特别大; 当陶瓷的晶粒尺寸小于500nm之后,相对介电常数迅速下降。
Zhao Zhe等研究表明50nm钛酸钡陶瓷1kHz时室温介电常数为1100,四方相→立方相的温度为117o C; Buscaglia等采用拉曼光谱在80-700K温度区间内对50nm钛酸钡陶瓷的相结构研究,证实了在50nm钛酸钡陶瓷中依然存在和大晶粒钛酸钡陶瓷相同的相变行为,即随着温度的降低,经历由立方→四方→正交→三方的相转变,并且存在多相共存的特点; 并且证实30nm钛酸钡陶瓷100Hz时70o C介电常数为1650,四方相→立方相的温度为106o C; 他们还研究了30nm钛酸钡陶瓷中铁电畴的分布,并观察到一畴多粒现象。
尺寸效应研究中有关钛酸钡陶瓷保持铁电性临界尺寸的内容尤其受到关注, 因为当晶粒尺寸减小到临界尺寸时,铁电性将消失。
1954年首次报导了铁电性消失的现象;1985年Arl证实钛酸钡陶瓷保持铁电性的临界尺寸为280nm; M. H. Frey等用热压(压力为8GPa)的方法制备出70nm相对密度98%的钛酸钡陶瓷,并认为临界尺寸为70nm; Zhao zhe等采用SPS制备出50nm相对密度97%的钛酸钡陶瓷,并实验证明50nm钛酸钡陶瓷依然保持铁电性;2006年M. T. Buscaglia等报导了SPS方法制备的钛酸钡陶瓷,平均晶粒为30nm,相对密度为97%,并认为钛酸钡陶瓷维持铁电性的最小尺寸为30nm。
由于制备技术的限制,难于获得高密度的钛酸钡陶瓷,所以钛酸钡陶瓷铁电性维持的临界尺寸至今未得到实验验证。
Zhao Zhe等基于朗道理论预测钛酸钡陶瓷铁电性消失的临界尺寸为10-30nm。
本研究利用两段式无压烧结和放电等离子体烧结工艺分别制备出一系列晶粒尺寸小于100nm的高致密度纳米晶钛酸钡陶瓷,其中采用两段式无压烧结制备出的8nm 钛酸钡纳米晶陶瓷,其相对密度高达99.6%, 是目前世界上报导的最小尺寸的致密铁电陶瓷块体材料; 通过放电等离子体烧结工艺制备出的钛酸钡纳米晶陶瓷最小晶粒尺寸为15nm, 目前国际上用同样方法制备的钛酸钡陶瓷最小尺寸是30nm。
论文系统研究了纳米晶钛酸钡陶瓷的微结构和物理性能,在实验基础上对纳米晶钛酸钡陶瓷的尺寸效应进行了深入分析与研究, 发现纳米晶钛酸钡陶瓷在晶粒尺寸小到8nm时仍具有铁电性,突破了人们认识的钛酸钡陶瓷铁电性最小临界尺寸30nm 的现状。
这对于钛酸钡纳米晶陶瓷材料在新型微电子器件中的应用具有重要的理论和实际意义,同时也对纳米晶铁电陶瓷理论体系的建立和完善提供了科学依据。
论文对于不同晶粒尺寸变温拉曼光谱的研究表明: 大晶粒的钛酸钡陶瓷中,在-150o C 存在清楚的三方相的特征软膜185 and 171cm-1, 171cm-1软膜在-100o C左右渐渐变弱并发生三方→正交相变, 485cm-1软膜在0o C 附近消失表明发生了正交→四方相变; 随着温度升高, 310和716cm-1软膜的强度在100o C附近开始下降, 大约在150o C 时消失, 表明四方→立方相变点为150o C。
而纳米晶钛酸钡陶瓷具有和大晶粒钛酸钡陶瓷相同的相变过程, 即随温度降低经历从立方→四方→正交→三方相变, 但是三方相不能从正交相中分辨出来,表示具有正交和三方的弥散型相变特征。
随着温度的升高, 相变的温度区间变得更加宽; 而且随着晶粒尺寸的减小, 多相共存的特征更加明显, 从-190o C到200o C的温度区间184cm-1软膜的存在, 说明正交相存在于很宽的温度区间, 305 and 715cm-1软膜在200o C依然存在表明纳米晶钛酸钡陶瓷在200o C 依然存在四方相。
进一步研究表明100nm以下的钛酸钡陶瓷均在200o C仍然保有少量的四方相,但纳米晶钛酸钡陶瓷相变区间弥散,呈现多相共存的结构特性;即使晶粒小到8nm的钛酸钡陶瓷,仍然存在与大晶粒钛酸钡陶瓷类似的相变行为即随温度的降低经历从立方→四方→正交→三方的相转变。
不同晶粒尺寸室温XRD的研究结果表明由于晶粒尺寸变化导致 (200)和(002)峰的劈裂。
可以看到当晶粒尺寸为80nm时,开始出现(200)和(002)峰劈裂,说明此时具有立方、四方相的共存结构。
当晶粒尺寸增加到3µm时,在2θ=45o附近的衍射峰位有明显的劈裂,这意味着钛酸钡的晶相结构随着晶粒尺寸的增加完全变成了四方相结构。
室温XRD数据表明50nm以下的纳米晶钛酸钡陶瓷的晶体结构具有准立方结构; 同步辐射原位超低温高分辨XRD研究结果表明50nm和80nm钛酸钡陶瓷存在多相共存, 弥散型结构特征。
采用透射电镜和场发射高分辩透射电镜观测到在100nm以下的钛酸钡陶瓷中有大量的纳米铁电畴。
利用扫描探针技术的非线性扫描介电显微(SNDM)发现100nm以下的钛酸钡陶瓷从25至290o C温度区间存在大量的纳米铁电畴,并通过原位变温观察到纳米铁电畴的变化趋势。
从20nm钛酸钡陶瓷不同温度的SNDM图和对应温度连线的剖面图中可以看出,SNDM图都表现为亮暗和灰色衬度,说明20nm钛酸钡陶瓷有复杂的电畴结构,从20nm钛酸钡陶瓷25到290o C不同温度电畴分布可以看出室温下20nm 钛酸钡陶瓷的铁电畴的大小约为4-32nm,随着温度从25o C升高到 100o C, 衬度区域变宽且衬度加强; 高于居里点从150o C开始, 大尺寸铁电畴的区域开始减少,小尺寸铁电畴区域增多, 从25到150o C温度区间有许多铁电畴的尺寸大于20nm, 说明20nm 钛酸钡陶瓷中有的晶粒中包含多个电畴;随着温度进一步升高, 尺寸大且亮的电畴区域不见了, 电畴尺寸的分布逐渐变窄; 当温度高于290o C时衬度区域非常明显,说明20nm钛酸钡陶瓷中依然存在铁电畴。
介电性能测试结果表明:随着晶粒尺寸减小,居里点向低温移动,另外两个相变点向高温移动; 8nm钛酸钡陶瓷室温仍具有较高的介电常数(1500)和低的介电损耗(0.02),而且相变区间非常宽,到290o C还依然保持铁电性; 晶粒尺寸小于100nm 时,钛酸钡陶瓷的介温谱呈现弥散型相变特征。
对100nm以下钛酸钡陶瓷从室温至290o C的不同温度的电滞回线的研究, 进一步证实了即使到290o C纳米晶钛酸钡陶瓷依然存在铁电性。
纳米压痕对硬度和蠕变的测试结果: 当晶粒尺寸高于50nm时,随着晶粒尺寸的减小,硬度和弹性模量增大; 当晶粒尺寸低于50nm时,晶粒尺寸减小硬度和弹性模量降低; 在钛酸钡陶瓷体系中晶粒尺寸不是影响钛酸钡陶瓷蠕变的唯一因素。
最后本研究从第一性原理分子动力学的角度对纳米晶钛酸钡陶瓷的铁电性起源和相变进行了初步探讨。
基于第一性原理对钛酸钡陶瓷电子结构的计算结果表明即使晶粒尺寸小到8nm,Ti-O之间仍然存在电子轨道的杂化,而这种杂化对于纳米晶钛酸钡陶瓷铁电性的保持有重要作用; 采用密度泛函理论广义梯度近似方法计算了不同晶粒尺寸钛酸钡陶瓷不同晶相的振动模式,结果表明8nm钛酸钡陶瓷和大晶粒钛酸钡陶瓷一样随温度的降低经历从立方→四方→正交→三方的相转变。
关键词:纳米晶钛酸钡陶瓷;制备;微结构;物理性能;尺寸效应Preparation, Microstructure and Properties of NanocrystallineBT CeramicsDeng XiangyunABSTRACTBaTiO3 (BT) has been the basic materials of electronic ceramic components, since it was found as the most representative perovskite structure ferroelectric material in 1943. Above the Curie temperature (T C=120°C), the structure of BT is cubic (C) and paraelectric. Below the Curie point, the structure is slightly distorted and three ferroelectric polymorphs with nonzero dipole moment exist depending on temperature. The tetragonal (T) modification is stable between about 10°C and 130°C. Below 10°C the structure becomes orthorhombic (O) and a further transition to rhombohedral (R) structure occurs around −80°C.With the rapid development of electronics and microelectronics industry in recent years, miniaturization and large capacity of multilayer ceramic capacitors require lowering ceramic medium layer thickness and submicron or nanometer grain in ceramic dielectric layer must be obtained, therefore small size BT ceramic preparation aroused widespread interest. However, the dense ceramic must be sintered at high-temperature. The densification and grain growth process often generated at the same time, grain growth is very rapid especially in the latter part of sintering, and the result is the realization of dense material after grain has grown up. The current biggest research obstacle is to prepare dense nanocrystalline ceramics, and then study the size effect on the micro-structure and properties.BT size effect study began in 1950; the core research content is about size effect on dielectric properties, phase transition and microstructure. The permittivity of BT ceramics increases with decreasing grain size, passing through a maximum around 1µm. On further decreasing the grain size below 500nm, a rapid decrease of relative permittivity is observed. The dielectric data show a broad ferro–para phase transition with a maximum permittivity of ≈1100 at 117o C and 1 kHz in 50nm BT ceramics. The obtained spectra in the range of 80–700K show the presence of all the crystalline phases in 50nm BT ceramics, and the phase transitions take place in a large range of temperatures in which the phases might coexist. Buscaglia et al. demonstrate permittivity of 1650 at 70o C at 100kH in 30nm BT ceramics. The existence of a ferroelectric domain structure with domains extending over several grains in 30nm BT ceramics given by piezoresponse forcemicroscopy.Among the size effect researches particular concern is the ferroelectricity critical size, because when the grain size reduces to the critical size, the ferroelectricity will disappear. The first report of the ferroelectricity disappearance was in 1954; Arlt revealed that BT critical size was 280nm in 1985; Frey et al. reported the dielectric data of dense BT ceramics with grain size of 70nm fabricated by pseudoisostatic hot pressing, and demonstrated the critical size was 70nm. Recently Zhao et al. and Buscaglia and coworkers obtained dense BT ceramics with grain sizes of 50 and 30nm, respectively, using spark plasma sintering, and reported the critical size was 50 and 30nm accordingly. Due to preparation technical constraints, it’s difficult to obtain high density BT ceramic, and the critical size has not been verified by experimental tests. The critical grain size corresponding to suppression of ferroelectricity is estimated to be 10–30nm in the framework of the Landau-Ginsburg-Devonshire theory.The bulk dense nanocrystalline BT ceramics below 100nm have been successfully prepared by the two step sintering and the spark plasma sintering process, respectively. Among them, 8nm nanocrystalline BT ceramics with the relative density of 99.6% was prepared by the two steps sintering for the first time, which is the minimum size dense ceramic bulk material in the world currently. The smallest grain size of 15nm nanocrystalline BT ceramics had also been successfully prepared by the spark plasma sintering method. At present the minimum size nanocrystalline BT ceramics is 30nm prepared by others using the spark plasma sintering method in the world.Microstructure and physical properties have been measured and the investigations on the size effect of BT ceramics have been comprehensively and systemically conducted. Ferroelectricity was being found in BT ceramics with grain size as small as 8nm in diameter, breaking the status that the BT ceramic critical size is 30nm, which has great theoretical and practical significance in the new microelectronic devices application of nanocrystalline BT ceramics, and also providing a scientific basis for the establishment and improvement of the nanocrystalline ferroelectric ceramics theoretical system.Temperature-dependent Raman spectra of different grain size BT ceramics showed that in coarse BT ceramics, the clear peak at 185 and 171cm-1 indicates the R phase at -150o C. The gradually weak mode at 171cm-1demonstrates the R→O transition near -100o C. 在The 485cm-1mode loses its intensity around the O→Ttransition at 0o C. As the temperature increases, the intensity of the bands at 310 and 716cm-1begins to decrease around 100o C and disappears near 150o C, which is attributed to the T→C phase transformation. The Raman spectra of nanograin BT ceramics are fundamentally the same C→T→O→R transitions as those in coarse BT ceramics, but the R phase cannot be distinguished from those recorded in the O phase, which manifests coexistence of both O and R phases and a diffuse feature. As the temperature increases, the temperature range of the phase transition becomes more broadening and the feature of multiphase coexistence is more obvious with decreasing grain size. The presence around the 184cm-1mode from -190to 200o C demonstrates that the O phase exists in a very wide temperature range. Note that the nominally “C” spectrum at 200o C still has weak features at 305 and 715cm-1, indicating T remnants.The similar successive transitions in 8nm nanograin BT ceramics from rhombohedral to orthorhombic, tetragonal and cubic transitions as those in coarse BT ceramics and the diffused phase transition, multiphases coexistence characters in nanocrystalline BT ceramics below 100nm.XRD patterns at room temperature of BT ceramics with different grain size showed that the grain size induced transition from global C→T symmetry demonstrated by the gradual splitting of pseudocubic into tetragonal (200) and (002) reflections. A slight long-range tetragonal lattice distortion first starts to appear in 80nm ceramics; the splitting of XRD peaks characteristic, which relates to the coexistence of cubic and tetragonal structure. For 3000nm BT ceramics, the (002)–(200) reflection clearly shows splitting peaks, normally exhibited by micrometric ceramics at room temperature. The diffraction patterns of nanocrystalline below 50nm BT ceramics apparently correspond to pseudo-Pm3m cubic symmetry revealed by XRD patterns at room temperature. Multiphase coexistence and the diffused phase transition character in 50 and 80nm nanocrystalline BT ceramics revealed by in-situ temperature dependent high resolution XRD.TEM and HRTEM observations also showed the presence of nano ferroelectric domains in BT ceramics below 100nm. Scanning nonlinear dielectric microscopy (SNDM) measurements confirmed the existence of nano ferroelectric domains from 25 to 290o C in BT ceramics below 100nm. It showed from the domain images of the 20nm BT ceramics by SNDM in different temperatures and the cross sectional images along the lines in the corresponding temperature. TheSNDM images reveal relatively strong black/white contrast, indicating the presence of a ferroelectric domain structure in the 20nm BT ceramics.It also revealed the domain width from 25 to 290°C from the cross sectional images along the lines in the corresponding temperature. It is found that the irregular spot domain patterns with the size from 4 to 32nm were clearly observed at 25°C. The black/white contrast regions became broadened and intensified with the temperature increasing from 25 to 100°C. From the beginning of 150°C above Curie temperature, the remarkable contrasted domain regions reduced and the small domain regions with opposite contrasts increased. It is also revealed that many domain sizes are bigger than 20nm from 25 to 150°C, demonstrating the existence of a ferroelectric domain extending over several grains for 20nm BT ceramics. With the temperature further increasing, the big and bright spot domain regions were invisible and the domain size distribution gradually turned to be narrow; however, the clear white and black contrast domain regions were obviously observed at 290°C, indicating the existence of nanoferroelectric domains above Curie temperature in 20nm BT ceramics.With decreasing grain size, the Curie temperature decrease to the low temperature; and the other two phase transition points shift to the high temperature. The dielectric test indicated that 8nm BT ceramics had a fairly large dielectric constant 1500 and small dissipation factor 0.02 at room temperature, with a broad phase transition maximum and ferroelectricity was retained at the high temperature of 290°C; the diffused phase transition characters in nanograin BT ceramics below 100nm were further approved. The piezoresponse hysteresis loops show clearly that below 100nm BT sample are still switchable and ferroelectricity retains at 25°C, and even at the high temperature of 290°C.The hardness of BT ceramics were determined by two trends: (a) hardness increased with the grain size decreasing at the grain size above 50nm, which was consistent with the Hall-Petch effect; (b) hardness decreased with the grain size decreasing at the grain size below 50nm, which was agreement with the inverse Hall-Petch effect.The calculation of BT ceramics electronic structures based on the first principle revealed the hybridization between Ti 3d and O 2p in 8nm BT ceramics, which was responsible for the tendency to ferroelectricity in nanograin BT ceramics.The vibrational modes of BT in different crystalline phases have beeninvestigated by means of density functional theory pseudo potential method. The evidences of T to O and O to R phase transitions present for 8nm BT ceramics, which further demonstrated the similar successive transitions in 8nm BT ceramics from R to O, T and C transitions as those in coarse BT ceramics.Key words: nanocrystalline BT ceramics; preparation; microstructure;property; size effect。